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叶绿素荧光检测技术及仪器的研究


第 31卷 第 6期 2010年 6月













Ch inese Journa l o f Sc ientific Instrum ent

V ol 31 N o 6 Jun. 2010

r />
叶绿素荧光检测技术及仪器的研究
赵友全 , 魏红艳 , 李
( 1 天津大学精密仪器与光电子工程学院 摘
1 1

*

丹 , 刘宪华 , 张
天津

1

2

鑫 , 刘子毓

2

1

300072 2 天津大学环境学院 ;

天津

300072)

要: 湖泊水华的爆发给人们日常生活和生产带来很大的危害, 水体富营养化、 水中浮游 植物和藻类的大量繁 殖是产生 水华

的主要原因。水中叶绿素可作 为水体营养的跟踪指示器, 快速检 测水中的叶 绿素含量 可以预警水 体营养程 度和水质污 染。基 于叶绿素荧光的光谱 特征, 提出了一种可快速现场用的水体营养检 测技术、 研制了 叶绿素荧光 检测仪器, 通过现 场实验跟 踪监 测了天津大学敬业湖 水体在春夏之交的浮游植物含量的分布、 生长和气候 变化的影响。 关键词: 水华; 富营养化; 叶绿素; 荧 光光谱 中图分类号: X 85 文献标识码: A 国家标准学科分 类代码: 610. 3040

Research on the technique and instrum ent of chlorophyll fluorescence m easure ent m
Zhao Y ouquan , W eiH ongyan , L i D an , L iu X ianhua , Zhang X in , L iu Z iyu
1 1 1 2 2 1

( 1 C ollege of P recision Instrum ent and Op to E lectronics Engineer ing, T ianjin Un iver sity, T ianjin 300072, China; 2 School of Environm ental Science and Eng ineering, T ianjin University, T ianjin 300072, Ch ina)

Abstract W ater bloom in lakes brings a great danger to da ily life and product io n wh ich is pri arily due to w ater : , m eutroph ication and rap id in crease o f the am ount of algae and phytop lankton A s an in dicator of w ater eutroph ication, . rapid detection o f chlorophy ll content in w ater can pred ic t the ex tent of w ater eutroph icat io n and po llution Based on . th e spectra l characteristics o f ch lo rophy ll flu orescence th is paper reports a new techn ique for the m easurem en t of eu , - 6 troph icat io n and a chlorophyll fluorescence detecting instrum en. The sensitiv ity o f the in strum ent is up to 3 10 . t A lot o f experi ents of track ing the d istribut io n and grow th of phytoplankton and the i pact o f c li ate change w ere m , m m carried out in the Jingye lake in T ian jin Un iversity . K ey w ord s w ater b lo om; eutroph ication; ch lo rophy l;l fluorescence spectrum :
都对水体的富营养化程度进行了监测, 包括化学需氧量、

1 引



总氮、 总磷、 叶绿素 a含量等单项指标和按一定模型计算 的综合指数的 富营养化评价 。综合指数评 价大都在 实验室或者特定条件下进行细胞培 养来进行, 由于取水 样和运输等问题, 存在较大的测量误差, 而且不是现场测 定, 其结果有着很大的时间滞后性, 再现性难以保证。 水体富营养化可以通过跟踪监测水中叶绿素的含量 来实现, 其中叶绿素 a是所有叶绿素中含量最高的, 因此 叶绿素 a的测定能示踪湖泊的富营养化程度。已有的水 体叶绿素 a的测量方法有很多种, 包括高性能液相色谱 法 ( H PLC )、 分光光度法、 实验室荧光法和遥感法
[3] [ 1 2]

近年来, 我国连年出现太湖、 芜湖、 松花江等水危机, 由于蓝绿藻类在水体 中持续爆发, 使得水中浮游植 物剧 增、 水中氧分耗尽、 体呈现大面积缺氧状态, 水中 生物 水 因此大量死亡。由于 水中藻类的快速生长, 水面上 绿藻 堆积, 造成水流困难, 水体无法与外界进行空气 交流, 逐 日变得恶臭, 给人们的生产、 生活和生命健康都带来了极 大的危害。 目前国内各湖区水库的相关监测站和环境研究所大
收稿日期: 2008 12 R ece ived D ate: 2008 12

。前

* 基金项目: 国家科技支撑计划 ( 2006BAK 03A 15 )、 天津市科技计划 ( 10 zckfsh02200) 、 重庆大学国家访问学者基金资助项目

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- k bc

3 种方法都属于实验 室方法, 需要将叶绿素从浮游 植物 体内提取出来, 不仅工作量大, 而且整个过程中干扰因素 很多, 最后很可能得到错误的数据。遥感法不必萃取, 是 一种在线测量的方法, 但是仅适用于大面积的水域, 而且 航拍工作要求很高, 检测结果处理复杂。本文提出 一种 新的现场可用的荧光 法测定水中的叶绿素, 具有灵 敏度 高、 无需试剂、 速度快、 实时性好的优点, 可用于湖泊、 河 [ 4 7] 流、 海洋等水体富营养化现场检测 ; 大量实验测定 证 明了这种新技术和新仪器可用于现场检测湖泊中浮游植 物的生长和分布, 以及在不同气候条件下的变化情况。 e
- k bc

If = Yf I 0 ( 1 - e

)

( 4)

根据级数展开公式: 2 3 4 = 1 - kbc + ( kbc) / 2 - ( kbc) /3! + (kbc) /4! + ! 当 kbc 非常小 ( << 0 05) 时, e .
- k bc

( 5) ! 1 - kbc 代入式 ( 6)

( 4 ), 得: If = Yf I 0kbc 当用摩尔吸光系数 代替 k 时, 即得:

If = 2 303Yf I0 bc . ( 7) 式中: c 为叶绿素 a的 浓度, 单 位为 L; b 为样品 光程差 ( 叶层的厚度 ), 单位为 c m。也就 是说, 如果已知叶绿素 a的荧光量子产量 Yf , 然后通过测量它的荧光强度 If 就 可以计算出它的浓度 c 。

2 叶绿素荧光光谱特性及测量原理
当用一定波长的光 照射浮游植物时, 其叶绿素分 子 受到激发后会以辐射跃迁形式将其吸收的能量释放返回 基态时, 便会发射出波长大于激发光的 荧光 。在 荧光 光谱工作中, 涉及 2 种光谱: 激发光谱反映了在不同激发 波长下所测得的荧光 强度对激发波长的依赖关 系, 由此 可找到对该种试样的 最佳激发波长; 荧光发射光谱 反映 在固定激发波长下所测量得的荧光强度与波长的对应关 系, 由此可找到最佳 检测波长。如图 1 所示为 叶绿素 a 的激发光谱和发射光谱。
[ 8]

3 测量仪器装置
该叶绿素荧光检测仪器硬 件电路以 CYPRESS 公司 的 27643单片机作为核心, 主要由光学模块、 信号处理模 [ 11] 块和数据通信模块组成 , 设计框图如图 2所示。

图 2 硬件电路设计框图 F ig 2 . 图 1 叶绿素 a的激发光谱和发射光 谱 F ig 1 Ex cita tion and em iss ion spectrum o f ch lo rophy ll a . Block d iagra o f the hardw are c ircu it m

在光学模块中, 激发光源采用峰值波长为 460 nm 的 蓝色 LED, 由单片机 PWM 输 出 1 024 H z方波 作为载波 信号, 通过模拟开关将恒流源变为高频的电流脉冲, 用该 [ 12] 电流脉冲给 LED供电, 实现激发光源调制 。针对 LED 的光强比激光器、 汞灯、 氙灯等高 功率光源光强弱很多、 激发的荧光信号也很微弱, 荧光检测模 块选用了专门针 对光电二极管设置的互阻放大器, 将微 弱信号放大的同 时实现电流 /电压转换。 信号处理模块主要是信号增益调整电路。从光电二 极管输出的电压信号首先进行前置 放大; 前级弱输出的 信号进入单片机集成 PGA 进行程控放大; 为消除背景光 产生的噪声, 采用 AD620 差动放大去 除背景噪 声影响, 最后经检波后得到需要的测量结果。

浮游植物的叶绿素分子受到激发后发射出的荧光强 度 If 与其吸收光强度 Ia 、 被激发物质的荧光量子产率 Yf 有关
[ 9 10]

, 即:

If = Yf Ia ( 1) 而吸收的光强度 Ia 等于入射光强度 I0 减去透射光强 度 It , 于是: If = Yf ( I0 - It ) = Yf I0 ( 1 - I t /I0 ) ( 2)

由朗伯 比尔定律可知, 吸光度 A = kbc, 透光度 T = It /I0 , 所以: I t /I0 = e 将式 ( 3) 代入式 ( 2 )可得:
- kb c

( 3)

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第 3 1卷

数据通信模块采用系统嵌 入式集成 A /D 实现 信号 采集, 在 PSoC D es igner中编写程序并通过 RS232 与上位 [ 13 14] 机或数据采集系统通信 。

线性回归分析得相关系数为 0. 997 3, 说明叶绿素荧 光检测仪器测得的电压值与溶液的叶绿素浓度成较好的 线性关系。

4 仪器的校正与实验
4. 1 仪器性能的考核及标准曲线的绘制 该叶绿素荧光测量仪器测量范围: 0~ 500 g /L, 测量 最小限: 0. 03 g /L。按照分光光度法测量水体叶绿素的 标准过程提取叶绿素, 并将其溶解在丙酮中, 每隔 5 m in, 对 该溶液进行 6次重复测量, 测量结果如表 1所示。
表 1 重复性实验数据 T ab le 1 Th e data of rep eatab ility experi en t m
测量次数 1 2 3 4 5 6 测量值 /mV 271. 7 271. 8 271. 8 271. 8 272. 1 271. 8

4. 2 湖泊浮游植物的动态跟踪
用校正后的荧光仪对天津大学敬业湖叶绿素 a的含 量进行监测, 从而实现对一定时期内浮游植物数量动态变 化的跟踪, 并从多个角度对现场监测 所得的数据进行分 析, 就可以寻找出浮游植物在天然水体中的生长特点和规 律。图 4是根据荧光仪测得四月份的叶绿素 a浓度绘制而 成的分布图, 其中: 横坐标代表湖长, 纵坐标代表湖宽 m, 灰 度由深到浅代表叶绿素 a的浓度由高到低变化。

根据重复性的定义, 按贝 塞尔公式计算得到的标 准 方差为 0 122 5, 证明仪器具有较好的重复性。依据国家 . 标准方法, 对采集到得实 际水样用分光光度多波长 法测 定其中含有叶绿素浓度, 同时对该水样稀释成不同倍数, 使用叶绿素荧光仪器分别测量稀释后的水样得到电压值 如图 3所示。

图 3 水样实验测定结果 F ig. 3 The result o f rea lw ater samp le

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5 结



本文基于叶绿素荧光的光谱特征, 研制 开发了可用 于湖泊、 河流、 海洋等水体富营养化现场检测监测的新技 术和新仪器, 与其他测量方法相比具有灵敏度高、 无需试 剂 (不会产生二次污染 )、 速度快、 实时性好的优点, 文中 也给出了叶绿素荧光法的测量原理、 光源驱动电路、 信号 自动增益调整电路和信号传输电路等有关内容。
( d ) 4月 30 日

用国家标准方法对本文研发的叶绿素荧光测量技术 和仪器进行了标定、 验证了可靠性; 用标定后的仪器跟踪 监测了天津大学敬业湖在春夏之交 的浮游植物含量, 并 从时间和空间 2 个方面进行了分析, 从 而验证了此种检 测技术和研发仪器的可用性。

图 4 四月湖中叶绿素 a浓度分布变化 情况 F ig. 4 M on ito ring data of ch lorophyll a concentra tion in A pril

从图 4可以看出: 四月份开始监测时, 浮游植物已有 大量生长, 到中旬生长加速。但是到了四月下旬, 浮游植 物浓度有明显的下降。根据现场的观察, 湖内大型藻类生 长较为旺盛。所以可以推测, 可能是由于温度升高和强烈 光照为其提供了适宜的生长环境, 使其迅速生长, 从而将 水中的营养物质消耗, 使浮游植物的生长受到限制。这种 假设也在天津大学校园内的其他湖泊得到了印证: 在某些 有常年大量挺水植物 ( 主要是芦苇和荷花 )生长的水面, 水 体十分清澈, 浊度较低, 即浮游植物的量较少 [ 15] 。另外, 四 月下旬, 正是鱼类繁殖的季节, 大量以浮游植物为食的鱼 类的出现, 对水华的产生起到了一定的抑制作用。 4. 3 湖泊浮游植物的空间分布 湖中心区和岸边空间位置的不同, 会对浮游植物的生 长有明显的影响。实验选取同一监测日湖内 9个监测点 和与之对应的岸边位置的叶绿素浓度数据, 其中 9 个点排 列为 3行 3列, 5点位于湖心, 其他 8点沿湖岸均匀分布。 从表 2 所示数据明显可 以看出, 湖边叶绿素浓度 总 体上是高于对应的湖内浓度的。这点在图 4 也有体现, 与多数天然湖体的蓝藻水华爆发于岸边相吻合。出现这 种分布不同主要有两个方面的原因: 一方面, 岸边多有排 污源头, 水质的富营 养化程度严重; 另一方面, 岸边 水深 较浅, 水动力条件稳定, 适宜浮游植物生长。
表 2 湖内和岸边监测数据对比 T ab le 2 Th e m on itoring data of th e lake
监测点 1 2 3 4 5 6 7 8 9 湖内浓度 / ( m g? L- 1 ) 147 232 186 250 162 259 209 212 181 岸边浓度 / ( m g? L - 1 ) 220 190 315 207 213 190 217 282

参考文献
[ 1] 夏达英, 王振先, 夏静芳. 海水叶绿 素 a现场测量 仪研 究 [ J]. 海洋与湖沼, 1997, 28( 4): 433 439. X I D Y, W ANG ZH X, X I J F. A A O ceano log ia E t L i no log ia S in ica m , 472 476. [ 2] 王明翠, 刘雪芹, 张建辉. 湖泊富营 养化评 价方法及 分 级标准 [ J]. 中国环境监测, 2002, 18, 5: 47 49. WANG M C, L I X Q, Z U HANG JH. Eva luation m ethod and classification standard on lake eutroph ication [ J]. Environm enta lM on ito ring in Ch ina 2002, 18, 5: 47 49. , [ 3] 李允武, 张淑芝, 葛运国. 卫星遥感 在海洋 观测中的 应 用 [ J]. 中国航天, 1997( 8) : 3 5. L I Y W, ZHANG SH ZH, GE Y G. Ch ina 1997( 8): 3 5. , [ 4] BEUT LER M A fluoro etric m ethod for the d ifferentiation m of alga l popu la tions in v ivo and situ [ J] . Photosynthesis R esearch, 2002, 72: 39 53. [ 5] 王志刚. 基于激发荧光 光谱的浮游 植物分 类测量方 法 [ J]. 中国环境科学, 2008, 28( 3): 329 333. WANG ZH G. T he phytop lankton classified m easure based on ex cita tion fluorescence spectra technique [ J]. Ch ina Env ironm ental Science 2008, 28( 3): 329 333. , [ 6] 陈莲花, 刘雷. 叶绿 素荧 光技术 在藻 类光 合作 用中 的 应用 [ J]. 江西科学, 2007, 25( 6): 788 790. CHEN L H, L I L. A pplication o f the chlorophy ll fluo U rescence in photosynthesis o f alga [ J] . Jiangx i Sciense , 2007 25( 6) : 788 790. , [ 7] SHARM A S SCHU L AN S G. , M cence spectroscopy [ M ]. Introduction to fluo res John W iley and N ewY ork: Sate llite remo te sensing in the ocean observ ing app lication[ J]. A ero space Study on in situ 2003 20 ( 4 ): , m easur ing set fo r chlorophy ll a in the seaw ater [ J ].

1346 Sons, Inc 1999 22 23 . : . [ 8]













第 3 1卷

mu lti w avelength LED array[ J]. Ch inese Journa l o f Sc i entific Instrum ent 2007, 28( 10): 1820 1825. , [ 14] 高方, 张玉钧, 王 志刚, 等. 新 型藻 类分 类测 量仪 荧 光检测电路的设计 [ J] . 大气与环境 光学学报, 2008 , 3( 5) : 397 400 . GAO F, ZHANG Y J, W ANG Z G, H et a.l D esign o f fluo rescence detec tion c ircu it o f nove l a lg a c lassified in strum ent[ J] , Jouna l o f A tmospheric and Env ironm ental O ptics, 2008, 3( 5) : 397 400. [ 15] 邱东茹, 吴 振斌, 邓家 奇, 等. 不 同生 活型 大型 植物 对 浮游植物群落的影响 [ J] . 生态学杂志, 1998, 17( 6): 22 27. Q I D R, WU Z B, D I U H NG J Q, e t a . E ffects o f aqua t l ic m acrophy tes o f various life fo r on phytoplankton[ J]. m Ch inese Journa l of E co log y 1998 17( 6): 22 27. , ,

张彪, 储焰南 , 张 玉平, 等. 发 光二 极管 作为 现场 叶绿 素荧 光 仪 激 发 光 源 实 验 研 究 [ J]. 量 子 电 子 学 报, 2003, 20( 4): 472 476. ZHANG B, CHU Y N, ZHANG Y P et a. Expe ri en , l m ta l study on LED as the ex cita tion resource o f fluoro e ter m for the in situ m easurem ent o f ch lo rophy ll a concentra tion in w ater [ J] . Ch inese Journal o f Q uantum E lectron ics , 2003, 20( 4): 472 476.

[ 9]

陈国珍. 荧光分析法 [M ]. 北京: 科学出版社, 1975: 12. CHEN G Z H. F luorescence ana lysis[ M ]. Be ijing Sc i : ence P ress 1975: 12 , .

[ 10]

BRECHET E, STAY D M, W AK EF IELD R D, e t a. A l nove l b lue LED based scann ing hand he ld fluoro eter fo r m de tection of terrestr ia l a lgaeon so lid su rfaces[ J]. SP IE, 1998, 3414: 184 190.

作者简介
赵友全, 博士、 天津 大学 精密 仪器与 光 电子工程 学 院副 教 授, 主 要研 究 方向 为 光 谱分析技术及仪器、 光谱显微成像技术。 E ma i: zhaoyouquan tju. edu. cn l @ Z hao Youquan rece ived docto r degree in 2002 from T ian jin U n ive rs ity H e is an assoc i . a te professor in Co llege o f P rec ision Instrum ent and O pto e lectronics Eng ineering , T ianjin U niversity H is re . search is focused on spectrum ana ly sis technology and instrum ent deve lopm en t and spectra l i ag ing technology , m . 魏红艳, 天津大学 精密仪 器与光电 子 工程学院硕士, 主要从 事光电 检测技术 方 面的研究。 W ei H ongyan rece ived her m aster degree in 2009 from Co llege o f P recision Instrum ent and O pto e lec tron ics Eng inee ring , techno logy . T ianjin U n ive rs ity H e r study is focused on opto e lectron ic m easure ent . m

[ 11]

张玉平, 杨世 植, 洪 津, 等. 叶绿素 荧光 仪中 微弱 荧光 信号的探测 [ J]. 量子电子学报, 2005, 22, 2: 1 4. ZHANG Y P, YANG SH ZH, HONG J e t a. D etection , l of w eak fluorescence signa l in the ch lo rophy ll fluoro e ter m [ J]. Chinese Journa l o fQ uantum E lectronics 2005, 22, , 2: 1 4 .

[ 12]

邱健, 杨冠玲, 何振江, 等. 基于紫外荧光法的大气 SO2 气体浓度分 析 仪 [ J]. 仪 器 仪 表 学 报, 2008 29 ( 1 ): , 175 178. Q I J YANG G L, HE ZH J et a.l A t ospher ic SO2 U , , m concen tra tion ana lyze r based on ultra v io let fluo rescence [ J]. Chinese Journa l of Scien tific Instrum ent 2008, 29 , ( 1) : 175 178 .

[ 13]

司马伟昌, 张玉钧, 王志 刚, 等. 多 波长 LED 阵列光 源叶绿素荧光探测仪电路的 单片机 实现 [ J]. 仪器仪 表学报, 2007, 28( 10): 1820 1825. S I A W CH, M ZHANG Y J WANG ZH G, , et a. l M CU rea lization o f ch lo rophy ll fluoro ete r c ircu itbased on m


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